CN112855075B - 一种水合物地层固井过程高压气水反侵的判别方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水合物地层固井过程高压气水反侵的判别方法，包括：建立水合物地层数值模型；将水合物地层数值模型进行网格划分，划分为若干单元；设计各项固井工艺参数的取值，采用该取值进行模拟试验，判别该固井工艺参数取值下是否发生反侵。本发明的优点是：能够高度还原水合物地层固井过程；能够判别水合物地层固井中高压气水是否反侵入水泥环。

Description

一种水合物地层固井过程高压气水反侵的判别方法

技术领域

本发明涉及天然气水合物开发技术领域，特别涉及一种天然气水合物地层固井过程高压气水是否反侵环空水泥浆的判别方法。

背景技术

天然气水合物是由水分子和天然气分子(主要是CH4、C2H6、CO2等)在低温和高压条件下组成的似冰状非化学计量笼形化合物。由于具有资源储量大、主要燃烧产物环保无污染等优点，在能源、环境和全球气候变化中的重要意义使其成为当前地球科学和能源研究的一大热点。

在深水油气钻遇水合物地层以及水合物储层开采过程中，固井是钻完井作业过程中一个重要环节，它包括下套管和注水泥，其主要目的是保护和支撑油气井内的套管，封隔油、气和水等地层。对于稳定井壁、固定套管和延长油气井生产寿命等方面具有重要意义。天然气水合物地层通常具有地层温度低和孔隙压力高的特点。同时，天然气水合物储层通常胶结性较差(甚至未胶结)、力学强度弱，且水合物所处的相平衡状态较为脆弱，轻微的温升就会导致水合物的分解并引发链锁反应。而在固井过程中，固井水泥浆的水化放热会引起近井壁一定范围内地层温度的升高，极易导致水合物的分解，从而形成局部高压游离气、水区域。而高压游离气和水在压差的驱动下易反向侵入水泥浆中，从而对水泥环的内部结构、力学强度、二界面胶结强度和储层封隔能力产生不利影响，甚至会导致二界面缩胀开裂、井壁垮塌、水气窜流和固井报废等严重钻井事故。因此，寻求一种针对该反向侵入是否发生的判别手段显得十分重要。

由于水合物现场或室内试验成本高，技术难度大，耗时耗力，选取数值模拟方法对其进行研究更加合理。但水合物地层固井过程的复杂性为数值模拟带来了一些难点，主要包括：(1)在水泥浆初凝前，侵入地层的水泥浆作为移动热源，边侵入边继续发生水化反应放热。(2)水泥浆放热速率是不断变化的。

由于数值模拟手段的局限性，目前尚未拥有模拟水合物地层固井过程的类似方法。

发明内容

本发明针对现有技术的缺陷，提供了一种水合物地层固井过程高压气水反侵的判别方法，解决了现有技术中存在的缺陷。

为了实现以上发明目的，本发明采取的技术方案如下：

一种水合物地层固井过程高压气水反侵的判别方法，包括以下步骤：

步骤1，建立水合物地层数值模型，水合物地层数值模型内应包含地层、套管、套管内部空间、套管与地层间的环状空间；

步骤2，将水合物地层数值模型进行网格划分，划分为若干单元，若干单元之间进行物质交换，物质交换或是能量交换，或是物质及能量交换；

步骤3，设计各项固井工艺参数的取值，取值根据实际地层情况及施工工况共同确定，采用该组固井工艺参数取值进行模拟试验，根据模拟试验的结果，判别该固井工艺参数下是否发生反侵。

进一步地，步骤1中水合物地层数值模型中包括：完整的地层物理性质参数，地层物理性质参数包括：地层孔隙压力、地层骨架密度、地层孔隙度、地层绝对渗透率、地层骨架比热容、地层导热系数、地层温度和地层孔隙水合物饱和度。

进一步地，步骤2中，若干单元之间的物质交换，或是能量交换，或是物质及能量交换，原理如下：

模型内的质量和能量守恒可通过有限体积积分差的方式来实现：

式中：V,V_n——体积，子域n的体积[L³]；M^κ——组分κ的质量积累项[kg m^-3]；A,Γ_n——表面积，子域n的表面积[L²]；F^κ——组分κ的达西通量向量[kg m^-2s^-1]；n——向内单位法向量；q^κ——组分κ的源/汇项[kg m^-3s^-1]；t——时间[s]。

β包含H(水合物相)，A(液相)，G(气相)，I(冰相)；

κ包含w(水),m(天然气),h(水合物),i(水溶性抑制剂),θ(热量)。

其中：

①水合物相平衡曲线

式中：P_e为水合物相平衡压力，MPa；T_e为相平衡温度，K。

②质量累计项M^κ

式中：φ——孔隙度；S_β——相β的饱和度；ρ_β——相β的密度[kg/m³]；X_β ^κ——相β中组分κ的质量分数。

③热量累积项M^θ

式中：ρ_R——岩石密度[kg m^-3]；C_R——干岩的热容[J kg^-1K^-1]；U_β——相β的比内能[J kg^-1]；Δ()——当前时间步长括号内的数量变化；ΔU_H——水合物解离/形成的比焓[J kg^-1]

④流量项F^κ

水、甲烷和抑制剂的质量流量取决于液相和气相的变化，由于两个固相(β≡H，I)不会对流体流量产生影响，所以在采用动力学模型时，水合物组分经过所有单元边界时的质量流量为0。

液相：

式中：k——岩土体绝对渗透率[m²]；k_rA——为液相的相对渗透率；μ_A——液相粘度[Pa·s]；P_A——液相压力[Pa]；g——重力加速度矢量[m·s^-2]。

气相：

式中：k₀——高气压条件下的绝对渗透率[m²]；b——气体滑脱因子[Pa]；k_rG——气相渗透率；μ_G——气相粘度[Pa·s]；J^κ _G——组分κ在气相中的扩散质量流量。

热流量：

式中：K_R——岩土体热导率[W·m^-1·K^-1]；K_β——相β的热导率[W·m^-1·K^-1]；hβ——相β的比焓[J·kg^-1]；f_σ——热辐射因子；σ₀——Stefan-Boltzmann常数，其值为5.6687×10^-8J·m^-2·K^-4。

⑤源/汇项q^κ

地层流体开采或注入抑制剂：

式中：q_β——相β的开采或注入速率[kg·m^-3]。

地层注入热量或抽取热量：

对于方程(1)在空间上的离散而言，可采用有限体积积分差的方式来实现：

①体积积分

式中：M是体积归一化广延量；M_n是在体积V_n里的平均值。

②表面积分

式中：F_nm是F通过体积单元V_n和V_m之间界面A_nm法向(向内分量的平均值)。

在实际求解时，通过Newton-Raphson迭代法进行数值计算。

进一步地，步骤3中，固井工艺参数主要包括：水泥浆水化放热速率、固井压差、保压时间、水泥浆密度、水泥初凝时间等。

进一步地，步骤3中，模拟试验包括以下步骤：

步骤31，在水合物地层数值模型中设置固井工艺参数，先通过环状空间的体积和水泥浆此时的放热速率来计算整个环空空间单元格的放热量，再将放热量设置在相应单元中；

步骤32，模拟开始时，在环空空间单元处增加等同于固井压差的压力值，保压一段时间之后再减去这部分压力，固井压差及保压时间根据实际地层情况和施工工况确定；

步骤33，整个模拟试验从施加压力开始，到卸去压力，再到水泥浆初凝为止。将整个模拟在时间上分为若干个段，在第一段模拟结束后，根据该段模拟结果得到水泥浆的侵入量，之后依次计算紧靠环空空间的若干地层单元中的孔隙体积，并根据实际工况或经验假定水泥浆侵入过程中会充填孔隙体积的百分数，得出水泥浆的侵入深度和在相应单元内的体积，由此配合水泥浆此时的放热速率计算出各单元内此刻的放热量，下一段模拟开始时将各单元的放热量设置完成后继续进行模拟，以此循环直到最后一段模拟。

进一步地，模拟试验结果是否发生反侵的判别，判别依据为：在模拟进行中实时监测环空空间压力值P₁、井壁处孔隙压力P₂以及环空空间气体饱和度S_g，若P₁小于P₂，且差值大于地层孔隙毛细压力，则满足反侵发生的前提条件。在水泥浆初凝前，若S_g大于0，则视为反侵，否则未反侵。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

能够高度还原水合物地层固井过程；能够判别水合物地层固井中高压气水是否反侵入水泥环。目前水合物固井反侵判别问题的研究还是空白，该发明对水合物储层固井工艺参数优选有良好的理论指导作用。

附图说明

图1是本发明实施例数值模拟判别方法的流程图；

图2是本发明实施例各监测点气体饱和度变化图；

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下根据附图并列举实施例，对本发明做进一步详细说明。

如图1所示，一种水合物地层固井中高压气水是否反侵入水泥环的数值模拟判别方法，包括以下步骤：

步骤1，建立水合物地层数值模型，水合物地层数值模型内应包含地层、套管、套管内部空间、套管与地层间的环状空间；

步骤2，将水合物地层数值模型进行网格划分，划分为若干单元，若干单元之间可以进行物质交换，或能量交换，或物质及能量交换；

步骤3，设计各项固井工艺参数的取值(取值根据实际地层情况及施工工况共同确定，例如：固井压差，最大不可超过地层破裂压力，地层坚硬则取大，反之取小。水泥浆放热速率太大也将失去意义，地层水合物饱和度大则可以取大，若水合物不多取大也没意义了。)，采用该组固井工艺参数的取值进行模拟试验，根据模拟试验的结果，判别该组固井工艺参数是否发生反侵；

步骤1中水合物地层数值模型中包括：完整的地层物理性质参数，地层物理性质参数包括：地层孔隙压力、地层骨架密度、地层孔隙度、地层绝对渗透率、地层骨架比热容、地层导热系数、地层温度和地层孔隙水合物饱和度。

步骤2中，若干单元之间的物质交换，或是能量交换，或是物质及能量交换，原理如下：

模型内的质量和能量守恒可通过有限体积积分差的方式来实现：

式中：V,V_n——体积，子域n的体积[L³]；M^κ——组分κ的质量积累项[kg m^-3]；A,Γ_n——表面积，子域n的表面积[L²]；F^κ——组分κ的达西通量向量[kg m^-2s^-1]；n——向内单位法向量；q^κ——组分κ的源/汇项[kg m^-3s^-1]；t——时间[s]。

β包含H(水合物相)，A(液相)，G(气相)，I(冰相)；

κ包含w(水),m(天然气),h(水合物),i(水溶性抑制剂),θ(热量)。

其中：

①水合物相平衡曲线

式中：P_e为水合物相平衡压力，MPa；T_e为相平衡温度，K。

②质量累计项M^κ

式中：φ——孔隙度；S_β——相β的饱和度；ρ_β——相β的密度[kg/m³]；X_β ^κ——相β中组分κ的质量分数。

③热量累积项M^θ

式中：ρ_R——岩石密度[kg m^-3]；C_R——干岩的热容[J kg^-1K^-1]；U_β——相β的比内能[J kg^-1]；Δ()——当前时间步长括号内的数量变化；ΔU_H——水合物解离/形成的比焓[J kg^-1]

④流量项F^κ

水、甲烷和抑制剂的质量流量取决于液相和气相的变化，由于两个固相(β≡H，I)不会对流体流量产生影响，所以在采用动力学模型时，水合物组分经过所有单元边界时的质量流量为0。

液相：

式中：k——岩土体绝对渗透率[m²]；k_rA——为液相的相对渗透率；μ_A——液相粘度[Pa·s]；P_A——液相压力[Pa]；g——重力加速度矢量[m·s^-2]。

气相：

式中：k₀——高气压条件下的绝对渗透率[m²]；b——气体滑脱因子[Pa]；k_rG——气相渗透率；μ_G——气相粘度[Pa·s]；J^κ _G——组分κ在气相中的扩散质量流量。

热流量：

式中：K_R——岩土体热导率[W·m^-1·K^-1]；K_β——相β的热导率[W·m^-1·K^-1]；hβ——相β的比焓[J·kg^-1]；f_σ——热辐射因子；σ₀——Stefan-Boltzmann常数，其值为5.6687×10^-8J·m^-2·K^-4。

⑤源/汇项q^κ

地层流体开采或注入抑制剂：

式中：q_β——相β的开采或注入速率[kg·m^-3]。

地层注入热量或抽取热量：

对于方程(1)在空间上的离散而言，可采用有限体积积分差的方式来实现：

①体积积分

式中：M是体积归一化广延量；M_n是在体积V_n里的平均值。

②表面积分

式中：F_nm是F通过体积单元V_n和V_m之间界面A_nm法向(向内分量的平均值。

在实际求解时，可通过Newton-Raphson迭代法进行数值计算。

步骤3中，固井工艺参数中包括：水泥浆水化放热速率、固井压差、保压时间、水泥浆密度、水泥初凝时间等。

模拟试验目的是用来还原实际固井过程，包含以下步骤：

(1)在水合物地层数值模型中设置各项固井工艺参数。在试验开始时，实际工程中水泥浆充满了套管与地层间的环状空间并且放出热量。为了还原实际工况，在模拟试验中，先通过环状空间的体积和水泥浆此时的放热速率来计算整个环空空间单元格的放热量，再将放热量设置在相应单元中；

(2)试验开始后的一段时间内，实际工程中会对环空空间施加压力，使环空空间的压力大于地层，以帮助水泥浆侵入地层中，之后压力会被卸去。为了还原实际工况，模拟试验中，在最初的一段时间内(该时间根据实际地层情况和施工工况确定，地层渗透性强、水泥浆流动性大则可以缩短时间)，在环空空间单元处增加等同于固井压差的压力值，之后再减去这部分压力；

(3)整个模拟试验从施加压力开始，到卸去压力，再到水泥浆初凝为止。实际工程中，在该过程中水泥浆一直处于放热状态并不断往地层深处侵入。为了还原实际工况，模拟试验中，将整个模拟在时间上分为若干个段，在第一段模拟结束后，根据该段模拟结果得到水泥浆的侵入量，之后依次计算紧靠环空空间的若干地层单元中的孔隙体积，并根据实际工况或经验假定水泥浆侵入过程中会充填孔隙体积的百分数，通过这些量即可得出水泥浆的侵入深度和在相应单元内的体积，由此配合水泥浆此时的放热速率可以计算出各单元内此刻的放热量，下一段模拟开始时将各单元的放热量设置完成后继续进行模拟，以此循环直到最后一段模拟。显然，段划分越密集模拟精度越高。

如图2所示，模拟试验结果是否发生反侵的判别，判别依据为：在模拟进行中实时监测环空空间压力值P₁、井壁处孔隙压力P₂以及环空空间气体饱和度S_g，若P₁小于P₂，且差值大于地层孔隙毛细压力，则满足反侵发生的前提条件。在水泥浆初凝前，若S_g大于0，则视为反侵，否则未反侵。

环空空间压力值是环空中水泥浆的压力，井壁处孔隙压力为地层孔隙压力，环空空间气体饱和度也就是水泥浆中气体的饱和度，模型中任意位置处温度、压力、饱和度等值可以直接根据需要通过软件进行获取(读取)。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的实施方法，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种水合物地层固井过程高压气水反侵的判别方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，建立水合物地层数值模型，水合物地层数值模型内应包含地层、套管、套管内部空间、套管与地层间的环状空间；

步骤2，将水合物地层数值模型进行网格划分，划分为若干单元，若干单元之间可以进行物质交换，或是能量交换，或是物质及能量交换；

步骤3，设计各项固井工艺参数的取值，取值根据实际地层情况及施工工况共同确定，采用所述固井工艺参数取值进行模拟试验，根据模拟试验的结果，判别该固井工艺参数下是否发生反侵；

模拟试验包括以下步骤：

步骤31，在水合物地层数值模型中设置固井工艺参数，先通过环状空间的体积和水泥浆此时的放热速率来计算整个环空空间单元格的放热量，再将放热量设置在相应单元中；

步骤32，模拟开始时，在环空空间单元处增加等同于固井压差的压力值，保压一段时间之后再减去这部分压力，固井压差及保压时间根据实际地层情况和施工工况确定；

步骤33，整个模拟试验从施加压力开始，到卸去压力，再到水泥浆初凝为止；将整个模拟在时间上分为若干个段，在第一段模拟结束后，根据该段模拟结果得到水泥浆的侵入量，之后依次计算紧靠环空空间的若干地层单元中的孔隙体积，并根据实际工况或经验假定水泥浆侵入过程中会充填孔隙体积的百分数，得出水泥浆的侵入深度和在相应单元内的体积，由此配合水泥浆此时的放热速率计算出各单元内此刻的放热量，下一段模拟开始时将各单元的放热量设置完成后继续进行模拟，以此循环直到最后一段模拟；

模拟试验结果是否发生反侵的判别，判别依据为：在模拟进行中实时监测环空空间压力值P₁、井壁处孔隙压力P₂以及环空空间气体饱和度S_g，若P₁小于P₂，且差值大于地层孔隙毛细压力，则满足反侵发生的前提条件；在水泥浆初凝前，若S_g大于0，则视为反侵，否则未反侵。

2.根据权利要求1所述的判别方法，其特征在于：步骤1中水合物地层数值模型中包括：完整的地层物理性质参数，地层物理性质参数包括：地层孔隙压力、地层骨架密度、地层孔隙度、地层绝对渗透率、地层骨架比热容、地层导热系数、地层温度和地层孔隙水合物饱和度。

3.根据权利要求1所述的判别方法，其特征在于：步骤2中，若干单元之间的物质及能量交换，原理如下：

模型内的质量和能量守恒可通过有限体积积分差的方式来实现：

式中：V,V_n——体积，子域n的体积，单位L³；M^κ——组分κ的质量积累项，单位kg m^-3；A,Γ_n——表面积，子域n的表面积，单位L²；F^κ——组分κ的达西通量向量，单位kg m^-2s^-1；n——向内单位法向量；q^κ——组分κ的源/汇项，单位kg m^-3s^-1；t——时间，单位s；

β包含水合物相，液相，气相，冰相；

κ包含水,天然气,水合物,水溶性抑制剂,热量；

其中：

①水合物相平衡曲线

式中：P_e为水合物相平衡压力，MPa；T_e为相平衡温度，K；

②质量累计项M^κ

式中：

——孔隙度；S_β——相β的饱和度；ρ_β——相β的密度[kg/m³]；X_β ^κ——相β中组分κ的质量分数；

③热量累积项M^θ

式中：ρ_R——岩石密度，单位kg m^-3；C_R——干岩的热容，单位J kg^-1K^-1；U_β——相β的比内能，单位J kg^-1；Δ()——当前时间步长括号内的数量变化；ΔU_H——水合物解离/形成的比焓，单位J kg^-1；

④流量项F^κ

水、甲烷和抑制剂的质量流量取决于液相和气相的变化，由于水合物相和冰相不会对流体流量产生影响，所以在采用动力学模型时，水合物组分经过所有单元边界时的质量流量为0；

液相：

式中：k——岩土体绝对渗透率，单位m²；k_rA——为液相的相对渗透率；μ_A——液相粘度，单位Pa·s；P_A——液相压力，单位Pa；g——重力加速度矢量，单位m·s^-2；

气相：

式中：k₀——高气压条件下的绝对渗透率，单位m²；b——气体滑脱因子，单位Pa；k_rG——气相渗透率；μ_G——气相粘度，单位Pa·s；J^κ _G——组分κ在气相中的扩散质量流量；

热流量：

式中：K_R——岩土体热导率，单位W·m^-1·K^-1；K_β——相β的热导率，单位W·m^-1·K^-1；hβ——相β的比焓，单位J·kg^-1；f_σ——热辐射因子；σ₀——Stefan-Boltzmann常数，其值为5.6687×10^-8J·m^-2·K^-4；

⑤源/汇项q^κ

地层流体开采或注入抑制剂：

式中：q_β——相β的开采或注入速率，单位kg·m^-3；

地层注入热量或抽取热量：

对于方程

在空间上的离散而言，可采用有限体积积分差的方式来实现：

①体积积分

式中：M是体积归一化广延量；M_n是在体积V_n里的平均值；

②表面积分

式中：F_nm是F通过体积单元V_n和V_m之间界面A_nm法向；

在实际求解时，通过Newton-Raphson迭代法进行数值计算。

4.根据权利要求1所述的判别方法，其特征在于：步骤3中，固井工艺参数主要包括：水泥浆水化放热速率、固井压差、保压时间、水泥浆密度、水泥初凝时间。

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